耕地有机质含量演变规律——以新乡市为例

张宝光,张超男,王向前,李晓雯,武志斌,郑新娣,李豫惠

(1.原阳县农业农村局,河南原阳 453500;2.中国农业大学,北京 100193;3.新乡市土壤肥料工作站,河南新乡 453000;4.延津县土壤肥料工作站,河南延津 453200)

土壤有机质(soil organic matter,SOM)是土壤固相部分的重要组成成分,它不仅为植物提供矿质营养和有机营养,同时也是形成土壤结构的重要因素,土壤有机质直接影响着土壤的耐肥性、保墒性、缓冲性、耕性、通气状况和土壤温度等,是评价土壤肥力和土地生产力不可或缺的重要指标[1-4]。我国农田土壤有机质含量在全国第二次土壤普查以来基本均呈现上升趋势[5]。土壤有机质含量的高低主要取决于人们在单位面积上的生产活动,如施用有机肥的数量和质量及种植作物品种等[6],同时与有机质在土壤中的矿化速度和合成速率有关,而矿化和合成又受土壤温度、湿度、微生物活动以及外界条件的影响,从而表现出不同地区、不同土壤类型之间土壤有机质含量存在差异[7]。

随着统计学和信息学的发展,国内外利用更多的手段深入研究了耕地土壤有机质含量的时空变化,且主要通过定点观测的方法来探究土壤有机质含量随时间变化的特征[8]。杨刚等[9]研究表明土壤有机质的空间分布随时间的改变而发生巨大变化。李玲等[7]通过统计学分析和地理信息系统(GIS)总结了河南省近30年间土壤有机质的增加及其原因。夏睿等[10]研究表明北京市顺义区在20年间土壤有机质含量呈上升趋势。李冬初等[11]通过对数百个国家监测点近30年的稻田有机质含量进行分析,得出我国稻田有机质含量具有增长趋势。廖宇波等[12]利用GIS及相关统计学方法指出北京市大兴区近40年的土壤有机质变化规律,虽然有短期下降的现象但整体趋于上升。该研究以新乡市1982—2021年106个耕地养分长期监测点的耕地为研究对象,通过分析新乡市土壤养分检测网的监测结果,对耕地土壤有机质含量现状及演变规律进行探讨,对农业生产中制定培肥方案及耕地质量进行评价,以期为农业经济的增长及农田生态的可持续发展提供科学的理论指导及实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况新乡市是典型的暖温带大陆性季风气候,四季分明,寒暑适中,春季干旱多风,夏季炎热多雨,秋季昼暖夜凉,冬季寒冷干燥。全年多东北风和西南风,平均气温14.0 ℃,极端最高气温42.0 ℃,最低气温为-19.2 ℃;年降水量610.7 mm,北部太行山区年降水量656.5 mm左右,年最多降水量为1 168.4 mm。中南部平原年降水量592.6 mm左右;年日照时数2 323.9 h;年大风天数10.6 d,最大风速22.4 m/s,平均风速2.3 m/s;年无霜期205 d;年≥10 ℃积温4 750 ℃·d。

新乡市耕地土壤主要是潮土与褐土。北部是太行山及山前洪积扇,土壤类型主要为褐土,东南部是黄河洪冲积平原,以潮土为主。其中由西南至东北分布着以砂壤、轻壤为主的黄河故道。种植制度以小麦-玉米为主,占75%;在延津、封丘、原阳、新乡等黄河故道的轻壤、砂壤土地上以小麦-花生为主,占20%;在原阳、封丘等县黄河背河洼地上主要种植小麦-水稻,占5%。土壤养分含量差异较大,2021监测数据表明,耕地土壤有机质含量为19.77 g/kg、全氮1.32 g/kg、有效磷24.6 mg/kg、速效钾188 mg/kg、pH为8.2。其中,土壤有机质含量随着成土母质、栽培时间不同而变化。土壤有机质含量的分布趋势大致是北部山地随着海拔降低,自然植被稀疏,土壤有机质含量依次降低;由于地势平坦,人口密集,且有机质施用量大、质量较好,中部平原耕作区土壤有机质含量较高;由于地广人稀、旱涝灾害较多,土壤改良利用较差,南部和东南部黄河故道风沙区的土壤有机质含量较低。

1.2 测定方法土壤有机质按照全国配方施肥技术规程[13],采用NY 525—2002重铬酸钾容量法进行测定。

1.3 资料来源该研究中所涉及的新乡市相关资料主要通过全国第二次土壤普查资料《新乡土壤》[14]、新乡统计年鉴获取,同时搜集整理新乡市土壤养分监测网106个耕地养分长期监测点的监测结果。这个监测网是1987年全国第二次土壤普查结束后开始从全市选取有代表性的土壤种类而逐渐建立完善的,该监测网以固定地块、自然监测的形式,主要在每年收麦、收秋前采集0～20 cm耕作层土壤样品,并对所采集土壤样品的有机质等常规项目进行检测。在每年编写检测报告及农作物施肥意见时,有剔除极端非正常数据的情形。但因城市面积扩大等各种因素,至2021年,监测点位减少至96个。该研究启用的初次监测结果采用的是全国第二次土壤普查1982—1986年5 500个农化样平均检测结果。所以监测年限为1982—2021年的大田有机质含量变化。此外,该研究还搜集了新乡市测土配方施肥项目数据库2020年750个样品检测结果(文中大田分析部分去除了菜地24个样品数据)以及新乡市测土配方施肥项目数据库2005—2014年14 873个样品检测结果。

2 结果与分析

2.1 耕地有机质变化情况根据2021年全市养分监测网监测结果,新乡市全市土壤有机质含量平均为19.77 g/kg,相比于第二次土壤普查(1982—1986年)的平均水平(9.91 g/kg),增加了9.86 g/kg,平均每年增加0.25 g/kg,增幅为99.50%。从图1可以看出,40年间土壤有机质含量整体呈上升趋势。研究表明,制度的变迁与技术的进步、经济绩效的增长息息相关,而这是农业高质量发展的内生动力,改革开放以后,我国农村由生产队这种农业经济组织形式转变为家庭联产承包责任制,农民获得了经营自主权,生产积极性得到了巨大提升,农村生产力得以解放和发展,农民注重增施有机肥,培肥地力[15-16],从而导致1982—1994年土壤有机质含量有一个显著增高的阶段(从监测网点建立前的9.91 g/kg上升至1994年的13.98 g/kg)。进入20世纪90年代,城市大规模扩建,导致城市对劳动力的需求剧增,刺激了农民群众不断涌向城市,当时我国迎来了初生“农民工”时代,对耕地投入的热情有所下降,土壤有机质含量下跌,至1997年降至11.59 g/kg。从2001年开始加快上升趋势,2008—2019年逐渐稳定在17.47～17.94 g/kg,2020—2021年继续上升至19.77 g/kg。这是由于国家严格禁止焚烧秸秆、实施秸秆还田政策的良好效应[17],同时,也是在农业技术综合作用下,农作物产量逐年提升,生物产量不断增加,还田的秸秆数量逐年增加,从而进入良性循环的过程。这一研究结果与宋小顺等[18]的相关分析结论一致。

图1 新乡市大田土壤有机质含量变化及预测Fig.1 Change and prediction of soil organic matter content in Xinxiang City

基于40年间土壤有机质演变规律,对新乡市土壤有机质发展前景进行预测,如图1所示,到2030年全市土壤有机质含量达到21.96 g/kg,置信下限17.14 g/kg,上限26.79 g/kg,这一预测为后续近10年的施肥政策及农业措施提供了数据参考。

2.2 土壤有机质含量与粮食产量关系土壤有机质含量是土壤肥力的重要指标,与粮食生产能力有密切关系,是粮食估产的重要基础[19]。但是,基于长期大田监测数据分析土壤有机质含量与粮食产量之间的数量关系以及粮食生物产量对土壤有机质的积累作用还有待深入研究。该研究通过分析新乡市的相关数据,揭示了土壤有机质与粮食生产之间的互作关系和量化指标。

2.2.1粮食单产及预测。对1982—2020年粮食单季产量进行统计,从图2可以看出,近39年粮食单季产量整体呈上升趋势,产量由最初的3.35 t/hm2提高到当前的6.65 t/hm2。基于近39年的变化趋势对粮食单季产量进行预测(图2),从图2可以看出,到2030年粮食单季产量预计可达到7.43 t/hm2,置信下限5.69 t/hm2,置信上限9.17 t/hm2。一般在粮食增产的同时,其生物产量也相应增长。因此,推测在大力推行秸秆还田的情况下,秸秆还田量会相应增加,使得粮食产量在一定程度上也可能会有所增加[20]。

图2 新乡市粮食单季产量与预测Fig.2 Grain yield and forecast of single season in Xinxiang City

2.2.2土壤有机质与粮食产量相互关系分析。

2.2.2.1土壤有机质对粮食产量的贡献。使用IBM SPSS Statistics对1982—2020年粮食单产与同期土壤有机质含量进行相关性分析,分析粮食单季产量和土壤有机质含量这2个连续变量的Pearson相关性,相关系数(r)为0.793,充分说明粮食单季产量和土壤有机质含量在0.01水平上存在显著的相关性,表明粮食产量与土壤有机质可以同步增长。这一相关性分析也证明了上述推测,实行秸秆还田可以有效培肥地力,同时促进了粮食生产的大力发展,而粮食产量的增加也促进作物生物量有所提高,进而增加了秸秆还田量,有益于培肥地力,培肥地力又可以对粮食产量的提高产生促进作用,两者相辅相成,构成一个良性循环。

从图3可以看出,作物产量整体是随着土壤有机质含量的增加而增加的。1982—1999年土壤有机质含量在9.91～13.98 g/kg时,综合粮食产量随着土壤有机质含量的增加而有较多的增加,每单位土壤有机质会促进单季粮食产量最高增产0.49 t/hm2。而2003年以后,即土壤有机质含量达到14.63 g/kg后,增产效能逐渐趋于平衡,土壤有机质对粮食增产的贡献维持在0.34～0.37 t/g。从这些数据来看,新乡市大田土壤有机质的明显增产节点为15.00 g/kg左右,超过该增产节点后,有机质含量对粮食增产的贡献稳定在一定水平。农业农村部新修订的高标准(GB/T 30600—2022)农田有机质指标为15.00 g/kg[21],由此证明该标准基本符合新乡市的生产实际。1982—2020年单季粮食产量增加3.30 t/hm2,有机质含量提高了8.99 g,有机质对单季粮食增产贡献为0.37 t/g。这一结果比徐明岗等[22]的研究结果低63%,同时这个结果也低于耶鲁大学Oldfield等[23]的研究结果。究其原因,新乡市有机质含量和粮食产量基础水平较高,而粮食产量随有机质的提高而增加也有一定的阈值,粮食产量并非是随着有机质含量的增加而无限增加的,所以在贡献率上就表现出较低水平。

图3 新乡市大田有机质对产量贡献分析Fig.3 Analysis of contribution of organic matter to yield in Xinxiang City

提高有机质的浓度确实会在一定程度上增加粮食产量,但会有一个限度,产量并不会一直增加。研究表明,当有机碳浓度在0.1%～2.0%时,产量增幅最大,此时增加土壤有机碳可以有效提高粮食产量。例如,土壤有机碳浓度在1.0%时的粮食产量是浓度为0.5%时的1.2倍,但是当有机碳浓度达到2.0%时,此时的有机碳浓度基本趋于饱和,如果再增加土壤有机碳浓度,产量并没有明显提高,而是维持在稳定的水平,甚至会有所降低[23]。2%的有机碳曾被认为是一个临界阈值。碳作为一种容易在土壤中识别和测量的元素,其含量通常被认为占有机质含量的50%～60%[24-25],近年来常采用公式“土壤有机碳含量=土壤有机质含量×0.58”来对二者进行换算[26],而新乡市的监测结果比这一数值偏低。这意味着鼓励提高土壤有机质的农业政策仍然具有巨大的潜力。

为了检验土壤有机质含量20.688 g/kg这个临界阈值是否适应于新乡市,该研究选取了获嘉、卫辉、辉县这3个土壤有机质含量较高的县(市),使用IBM SPSS Statistics对其粮食产量与土壤有机质含量(表1)进行Pearson相关性分析,结果显示,获嘉县的r值为0.666,该地区的有机质含量和粮食产量在0.05水平上显著相关;而卫辉和辉县这2个地区的土壤有机质含量与粮食产量在统计学上没有呈现出显著的相关性。对3个地区有机质含量和粮食产量的平均值进行相关性分析,r值为0.527,也没有表现出统计学上的显著相关性。充分说明了土壤有机质含量达到一定值后,粮食产量就会趋于稳定,并不会随着有机质含量的提高而无限增大,表明土壤有机质20.866 g/kg临界阈值基本适应新乡市的实际情况。

表1 获嘉、卫辉、辉县高产区产量与土壤有机质含量

2.2.2.2秸秆还田对土壤有机质积累的贡献。在当前农业生产条件下,90%以上的小麦-玉米作物秸秆被还田,农田土壤有机质的来源主要是农作物秸秆,而单独施用有机肥的面积和数量可以忽略不计。采用土壤有机质含量与粮食产量之比来表示粮食产量对土壤有机质积累的贡献,从图4可以看到,作物产量(按小麦与谷草之比为1∶1计算)对形成土壤有机质的贡献为2.04～3.49 g/t,平均2.78 g/t。在1988年前后,土壤有机质含量低于12 g/kg时,秸秆还田对形成土壤有机质的贡献达到最大值(3.49 g/t)之后,实行家庭联产承包责任制,随着农民对土地热情的高涨,增施有机肥的数量随之增加,秸秆还田对土壤有机质含量的贡献作用有所降低,到2000年以后,随着秸秆还田政策的大力推行和全面实施,秸秆还田的数量也逐渐稳定,其对土壤有机质含量的贡献也趋于平稳,基本维持在2.73～2.99 g/kg。

图4 新乡市大田粮食产量对土壤有机质的贡献Fig.4 Contribution of grain yield to soil organic matter in Xinxiang City

2.3 不同地区土壤有机质含量分布情况从当前现状看,位于黄河冲击低洼平原的原阳县、延津县、封丘县有机质含量较低(表2),2021年有机质含量在16.47～16.61 g/kg;而分布有太行山洪积扇的卫辉市、辉县市及分布有郇封岭高地且耕作水平较高的获嘉县耕地土壤有机质含量为22.65～24.41 g/kg;境内分布有黄河故道的新乡县居中,为19.88 g/kg。

表2 各县(市)土壤有机质含量分布与演变情况

从近40年的土壤有机质含量演变情况来看,获嘉县年平均增量最大,可达到0.35 g/kg,长期以来该地区耕作水平最高、产量水平最高,且获嘉县的种植制度以小麦-玉米轮作为主;而延津县的土壤有机质含量在1982—1986年处于各县市最低水平,仅为6.49 g/kg,延津县的黄河故道面积最大、所受风沙是最严重的,在大部分耕地为小麦-花生轮作的制度下,主要依靠小麦秸秆还田,该地区土壤有机质含量的增幅最高,达到155.93%。各县市年平均增量为0.22～0.35 g/kg,平均值为0.25 g/kg。说明土壤有机质含量的增加是一个缓慢过程,土壤肥力的提高是多年耕作培肥的结果,短期内很难达到立竿见影的效果。因此,在生产实践中,要对耕地耕作层严加保护,定期对耕地质量、土壤肥力进行评估,因地制宜地实行施肥政策,确保耕地质量逐年提高。

2.4 不同土壤类型耕地有机质含量分布情况2020年全市实施化肥减肥增效项目,按耕地及土壤类型,对其中750个定点取土的样品进行分析。从不同土壤类型中有机质含量(表3)可以看出,菜地由于精耕细作,施肥量大,土壤有机质含量可达到37.45 g/kg,远远高于同年全市大田有机质含量(18.90 g/kg);不同土壤类型耕地中,水稻土有机质含量较高,这与其长期积水导致土壤处于厌氧还原状态,从而促进有机质积累有关;潮土、褐土是大田的主要土壤类型,且土壤有机质含量按砂壤、轻壤、中壤、重壤、淤土顺序上升,淤土最高可达到29.92 g/kg。前人的研究也表明土壤有机质含量与土壤细颗粒物质和黏位含量有关[27],该研究也证实了这一点,土壤的细颗粒物质含量越高、黏着性越强,具有更强的保肥能力,有机质含量相对来说也会更高。

表3 2020年新乡市不同类型土壤中有机质含量

2.5 新乡市耕地有机质含量级别划分为了更有针对性地对全市各地区的土壤有机质含量进行分析,该研究对2005—2021年14 873个土壤样品中有机质含量按照<10、10～<15、15～<20、≥20 g/kg的等级进行划分,并制作了新乡市耕层土壤有机质含量分布图(图5)。从图5可以看出,近17年来,新乡市全域大部分地区土壤有机质含量仍处于偏低水平,中部延津县、东南部封丘县的土壤有机质含量均较低,而辉县市、原阳县、长垣县也有小部分地区的土壤有机质含量仍有待提高。整体来说,新乡市目前仍然达不到高标准粮田建设对于土壤有机质的要求。

图5 2005—2021年新乡市耕层土壤有机质含量分布Fig.5 Distribution of topsoil organic matter content in Xinxiang City from 2005 to 2021

对2022年全市土壤耕层726个(共取土样750个,去除了24个蔬菜地化验结果,剩余结果主要代表了大田土壤有机质含量状况)土壤样品进行统计分析,发现新乡市耕层有机质含量在2.60～36.30 g/kg,平均值为18.95 g/kg,这与2020年土壤养分检测网监测的有机质含量(18.90 g/kg)高度吻合,说明土壤养分监测网监测结果基本能够代表新乡市大田土壤养分含量,该分析结果与李路平等[28]的研究结果相同。根据取样点在各县(市、区)的分布概况,按全国分级标准,将新乡市土壤有机质含量划分为6个等级(表4)。从表4可以看出,有机质含量在各等级均有分布,且全市土壤有机质含量差异较大,其中土壤有机质含量在15 g/kg以下(包括V级、Ⅵ级、Ⅶ级3个等级)的占比25.48%。

表4 新乡市土壤有机质含量等级划分

上述这些结果表明,农业生产过程中仍要坚持推行秸秆还田,同时在东南部黄河故道及黄河洪冲击低洼平原等有机质含量较低的地区采取增施有机肥、异地秸秆还田等措施。对于土壤肥力的改良,要做到分区块调查、分区块制定政策,做到精准管理、精细施肥,才能达到培肥地力、建设高肥力粮田的目标。

3 讨论

该研究通过调查分析统计,表明新乡市1982—2021年土壤有机质含量整体呈上升趋势,从9.91 g/kg增加至19.77 g/kg,已达到国家Ⅳ级水平。但是有机质含量的分布并非均匀,其在不同县市、不同地域、不同土壤类型之间存在明显差异。分析表明,土壤有机质含量在一定的范围内与粮食产量存在相关关系,但粮食产量并不会随着有机质含量的增加而无限增加。

土壤有机质含量的持续增加国家严格禁止焚烧秸秆、实施秸秆还田政策促使有机质含量持续增高,随着科技的发展,农业技术也不断改进,农作物产量和生物量随之增加,这也促使了可还田的秸秆量增加,环环相扣形成良性循环。有机质含量的增产节点和临界阈值在生产上至关重要,例如在编制高标准农田建设方案时,应当将有机肥料倾向施于低有机质含量耕地上,才能发挥更显著的效应。在揭示有机质含量对粮食产量的增产节点和临界阈值后,了解其地域和空间分布就显得至关重要。只有掌握低含量分布地区,才能做到因地制宜,针对障碍因素,最大限度发挥改土培肥的作用。

对于土壤有机质含量远超过增产节点或超过临界阈值的地区,生产中应在全面秸秆还田的前提下,实施深耕深松、打破犁底层等障碍层次,改土培肥。对于土壤有机质含量较低的地区,要增施有机肥料,加强秸秆还田的实施力度。

对于一些不利于有机质积累的地块,如土壤耕种历史短、沙粒粗大、结构松散、矿化度高、有机物分解快以及一些主要种植棉花、花生的地块,其秸秆常被作为燃料和饲料导致其无法还田被土地利用,这些地区有机质提高的主要限制因素是农作物秸秆等有机质资源匮乏。实际生产中,在实施秸秆全面还田基础上,还应采取增施商品有机肥、腐殖酸复合肥,甚至采取异地秸秆还田的办法来保证有机质资源的供应。

总之,土壤有机质的提升及土地肥力的改良需要充分利用土壤养分监测网所提供的科学依据,及时了解土壤状况的发展趋势,因地制宜、精准施肥,才能有效推进我国农业的经济增长及农业生态的可持续发展。